JP6179079B2 - Exhaust system - Google Patents
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Description
本発明は、排気流路を流れる排気ガスに、バーナ装置で昇温された気体を混合し、酸化触媒の酸化を助勢する排気システムに関する。 The present invention relates to an exhaust system in which gas heated by a burner device is mixed with exhaust gas flowing through an exhaust passage to assist oxidation of an oxidation catalyst.
エンジンからの排気ガス中において、さらに燃料を燃焼させる場合がある。例えば、ディーゼルエンジンにおける、排気ガスに含まれる煤等の粒子状物質(PM:Particulate Matter)を除去するパティキュレートフィルタの再生処理等がそれに該当する(例えば、特許文献1)。 In some cases, fuel is further burned in the exhaust gas from the engine. For example, the regeneration process of the particulate filter which removes particulate matter (PM: Particulate Matter), such as soot, contained in exhaust gas in a diesel engine corresponds to it (for example, patent document 1).
かかる再生処理においては、排気ガスを酸化触媒で昇温している。このような酸化触媒を活性温度まで迅速に上昇させるため、空気を別途ヒータで昇温して排気ガスに導入したり(例えば、特許文献2)、排気流路中に燃料を噴射する(例えば、特許文献3、4)技術が知られている。
In such regeneration treatment, the temperature of the exhaust gas is raised by the oxidation catalyst. In order to quickly raise such an oxidation catalyst to the activation temperature, air is heated by a separate heater and introduced into the exhaust gas (for example, Patent Document 2), or fuel is injected into the exhaust passage (for example,
酸化触媒の昇温を補助する熱源としては、上述したヒータや燃料噴射機構の他、排気ガスに混合する気体を昇温するバーナ装置等がある。いずれも、排気ガスの一部を昇温したり、別途昇温した気体を排気ガスに混合する構成なので、その流路断面において温度分布が偏り不均一になる。 As a heat source that assists in raising the temperature of the oxidation catalyst, there is a burner device that raises the temperature of the gas mixed with the exhaust gas, in addition to the heater and the fuel injection mechanism described above. In any case, the temperature of a part of the exhaust gas is raised, or a separately heated gas is mixed with the exhaust gas, so the temperature distribution is uneven and non-uniform in the flow path cross section.
このとき、熱源の下流にスワラや邪魔板等を設けて温度分布を均一にすることも考えられるが、構造が複雑であり、圧損や製造コストの増大を招くこととなる。 At this time, it is conceivable to provide a swirler, a baffle plate or the like downstream of the heat source to make the temperature distribution uniform, but the structure is complicated, leading to increased pressure loss and manufacturing cost.
本発明は、このような課題に鑑み、圧損の小さい低コストの簡易な構成で、容易に温度分布の均一化を図ることが可能な排気システムを提供することを目的としている。 In view of such problems, an object of the present invention is to provide an exhaust system that can easily achieve uniform temperature distribution with a low-cost and simple configuration with low pressure loss.
上記課題を解決するために、本発明の排気システムは、エンジンから排出された排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタと、パティキュレートフィルタの上流に設けられ、触媒を介した酸化反応によって排気ガスを昇温する酸化触媒と、酸化触媒の上流に設けられ、排気ガスの一部を流入させ、酸化触媒が酸化活性温度となるように、昇温した気体を排気ガスに、排気ガスの流れに対して垂直に導入するバーナ装置と、バーナ装置の下流かつ酸化触媒の上流に設けられ、排気ガスの流れに沿って、流路断面積を拡大した後、流路断面積を縮小する、直方体で形成された攪拌部と、を備え、直方体で形成された攪拌部における排気ガスを流入させる面と垂直の位置関係にある面から排気ガスを流出させ、攪拌部から流出する排気ガスの流出方向は、攪拌部に流入する排気ガスの流入方向と垂直となることを特徴とする。 In order to solve the above problems, an exhaust system of the present invention is provided with a particulate filter that collects particulate matter contained in exhaust gas exhausted from an engine, and upstream of the particulate filter, via a catalyst. An oxidation catalyst that raises the temperature of the exhaust gas by an oxidation reaction and an upstream of the oxidation catalyst, a part of the exhaust gas is allowed to flow into the exhaust gas so that the oxidation catalyst reaches the oxidation activation temperature, A burner device that is introduced perpendicularly to the flow of exhaust gas, and provided downstream of the burner device and upstream of the oxidation catalyst, the flow passage cross-sectional area is enlarged along the flow of exhaust gas, reduced, and a stirring portion formed of a rectangular parallelepiped, drained exhaust gas from the surface at the position of the surface perpendicular to flow into the exhaust gas relationship stirring portion formed in a rectangular parallelepiped, from the stirring unit Outflow direction of the exhaust gas leaving is characterized by the inflow direction and vertical exhaust gas flowing into the stirring section.
本発明によれば、圧損の小さい低コストの簡易な構成(攪拌部)で、ミキシング効果を高め、容易に温度分布の均一化を図ることが可能となる。 According to the present invention, the mixing effect can be enhanced and the temperature distribution can be easily uniformed with a low-cost and simple configuration (stirring section) with low pressure loss.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the embodiments are merely examples for facilitating the understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and elements not directly related to the present invention are not illustrated. To do.
(排気システム)
図1は、ディーゼルエンジン1の排気システムを説明するための説明図である。図1(a)に示すように、ディーゼルエンジン1はレシプロエンジンであり、具体的に、ピストンによってシリンダ内の空気を圧縮して高温高圧化するとともに、燃料タンク2に蓄えられた、軽油、重油等の燃料を燃料ポンプ3や噴射ポンプ4で昇圧して、その高温高圧化された空気中に噴射することで爆発を起こさせ、その爆発によって生じるエネルギーを動力に変える。過給機5は、ディーゼルエンジン1の排気ガスのエネルギーでタービンを回転し、吸気を圧縮して吸気圧を高めることでエンジン出力を向上させる装置である。
(Exhaust system)
FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining an exhaust system of the diesel engine 1. As shown in FIG. 1A, the diesel engine 1 is a reciprocating engine. Specifically, the air in the cylinder is compressed by a piston to increase the temperature and pressure, and the light oil and heavy oil stored in the fuel tank 2 are stored. The
排気流路6は、ディーゼルエンジン1の排気口から排出された排気ガスを外部に排出するための配管で構成され、その流路には、上流側から順に、バーナ装置7、攪拌部8、ディーゼル酸化触媒(DOC:Diesel Oxidation Catalyst)9、ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF:Diesel Particulate Filter)10が設けられている。排気システムは、バーナ装置7、攪拌部8、酸化触媒としてのディーゼル酸化触媒9と、パティキュレートフィルタとしてのディーゼルパティキュレートフィルタ10とを含んで構成される。以下、ディーゼルパティキュレートフィルタ10、ディーゼル酸化触媒9、バーナ装置7、攪拌部8の順に説明する。
The
(ディーゼルパティキュレートフィルタ10)
ディーゼルパティキュレートフィルタ10は、図1(b)の縦断面図に示すように、セラミックや金属をハニカム構造に形成した多孔体10aで構成される。そして、ディーゼルパティキュレートフィルタ10は、ディーゼルエンジン1の排気ガス(図1(b)中矢印で示す)に含まれる、例えば10ミクロン以上の大きさの粒子状物質20を捕集し、排気ガスから粒子状物質20を分離する。このように粒子状物質20が分離された排気ガスは外部に放出される。このとき、ディーゼルパティキュレートフィルタ10に粒子状物質20が堆積し過ぎると多孔体10aが目詰まりを起こすことがある。目詰まりは排気圧の上昇を招き燃費の悪化や出力低下につながる。そこで以下のディーゼル酸化触媒9が設けられている。
(Diesel particulate filter 10)
As shown in the longitudinal sectional view of FIG. 1B, the
(ディーゼル酸化触媒9)
ディーゼル酸化触媒9は、ディーゼルパティキュレートフィルタ10の上流に設けられ、例えばプラチナ、パラジウム等の触媒で構成される。そして、ディーゼルエンジン1の排気ガス中に含まれる酸素を利用し、未燃の燃料を触媒燃焼(触媒を介した酸化)させることによって排気ガスを昇温する。昇温された排気ガスは、下流のディーゼルパティキュレートフィルタ10に流れ、ディーゼルパティキュレートフィルタ10に堆積した粒子状物質20を燃焼して二酸化炭素として排気させ、ディーゼルパティキュレートフィルタ10の目詰まりを解消する。かかる一連の処理を本実施形態ではフィルタ再生処理という。
(Diesel oxidation catalyst 9)
The
このようなフィルタ再生処理は、ディーゼルパティキュレートフィルタ10の目詰まりが所定の閾値を超えたことを契機とし、その目詰まりがある程度解消されるまで、所望するタイミングで所望する時間実行されるバッチ処理である。しかし、ディーゼル酸化触媒9は、ディーゼルエンジン1の始動時や低負荷時には、排気ガスの温度が低く酸化が促進される活性温度に達していないことがあり、排気ガスを昇温できず、その下流に位置するディーゼルパティキュレートフィルタ10において、所望するタイミングでフィルタ再生処理を行うことができない場合がある。そこで、本実施形態では、以下のバーナ装置7を設けている。
Such a filter regeneration process is a batch process that is executed for a desired time at a desired timing until the clogging of the
(バーナ装置7)
図2は、バーナ装置7の構造を説明するための説明図である。本実施形態では、垂直に交わるX軸、Y軸、Z軸を図2に示す通り定義している。バーナ装置7は、気体を昇温し、ディーゼルエンジン1の排気口から排出された排気ガスに加えて、排気ガスの温度を高める。こうして、ディーゼル酸化触媒9の昇温を助勢することができる。すなわち、所望するタイミングでディーゼル酸化触媒9を活性温度に昇温してフィルタ再生処理を行うことが可能となる。
(Burner device 7)
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the structure of the burner device 7. In the present embodiment, the X axis, the Y axis, and the Z axis that intersect perpendicularly are defined as shown in FIG. The burner device 7 raises the temperature of the gas and raises the temperature of the exhaust gas in addition to the exhaust gas discharged from the exhaust port of the diesel engine 1. In this way, the temperature increase of the
バーナ装置7の具体的な構成を説明すると、バーナ装置7の外壁50は、例えば、矩形の筒状に形成され、Z軸に沿った方向の下方端部が排気流路6と連通し、上方端部が閉塞されている。外壁50の内部には、外壁50内部をX軸方向に区画する第1仕切部材52が配される。第1仕切部材52は、例えば、矩形の板材で構成され、その外周側面のうち3つの側面が外壁50の閉塞面およびY軸方向の内周面に固定され、他の1の側面が排気流路6に突出している。かかる外壁50と第1仕切部材52によって流入路54が形成される。流入路54は、排気流路6に対して開口しており、排気流路6に突出した第1仕切部材52によって、排気流路6に流れる排気ガスの一部(例えば20%程度)が流入路54に流入する。
The specific structure of the burner device 7 will be described. The
外壁50内部の第1仕切部材52で区画された空間のうち、X軸方向の下流側に位置する空間は、さらに、第2仕切部材56によってZ軸方向に区画される。第2仕切部材56は、例えば、矩形の板材で構成され、外周側面が第1仕切部材52と外壁50の内周面とに固定されている。第2仕切部材56で仕切られたZ軸上方の空間は火炎を生成するための一次燃焼室58であり、Z軸下方の空間は燃焼を促進させるための二次燃焼室60である。
Of the spaces partitioned by the
気体供給部62は、例えば、エアポンプで構成され、一次燃焼室58に排気ガスとは別の気体、本実施形態においては空気を供給し、一次燃焼室58内における火炎の生成を助ける。気体供給部62は、エアポンプに限らず、ファン、コンプレッサ等で構成されてもよい。ここで、第1仕切部材52には、流入路54から一次燃焼室58へ貫通する孔52aが設けられており、当該孔52aによって一次燃焼室58に空気が導かれる。かかる孔52aは、空気の流量を制限する役割も担う。
The
ただし、一次燃焼室58に空気のみを導入するとなると、ある程度、空気を昇温しなければならず、また、火炎の生成に要する空気の絶対量が増大する。そこで、本実施形態においては、上記のように排気流路6から流入路54に排気ガスの一部を流入させ、空気との混合気(以下、単に空気混合気という。)を生成する。そして、かかる空気混合気を一次燃焼室58に導入する。
However, if only air is introduced into the
図3は、ディーゼルエンジン1のアイドル時における必要空気量を比較した説明図である。図3を参照して理解できるように、排気ガスを利用せず空気のみを導入した場合と比較して、空気に排気ガスを混合すると各エンジン回転数において必要空気量が少なくて済む。 FIG. 3 is an explanatory diagram comparing the required amount of air when the diesel engine 1 is idling. As can be understood with reference to FIG. 3, when the exhaust gas is mixed with the air, the required amount of air can be reduced at each engine speed as compared with the case where only the air is introduced without using the exhaust gas.
図2に戻って、第1仕切部材52には、流入路54から二次燃焼室60へ貫通する孔52bが設けられており、当該孔52bによって二次燃焼室60に排気ガスが導かれる。かかる孔52bは、二次燃焼室60に導く排気ガスの流量を制限する役割も担う。
Returning to FIG. 2, the
さらに、第2仕切部材56には、一次燃焼室58から二次燃焼室60へ貫通する孔56aが設けられており、当該孔56aによって一次燃焼室58で燃焼された空気混合気が二次燃焼室60に導かれる。かかる孔56aは、空気混合気の流量を制限する役割も担う。こうして、一次燃焼室58および二次燃焼室60における空気混合気の流速が抑制されるため、一次燃焼室58においては、着火性および保炎性が向上し、二次燃焼室60においては、火炎燃焼を開始可能な温度域および酸素濃度域を拡大できる。
Further, the
一次燃料供給部70(燃料供給部)は、例えばノズルを有するインジェクタ等の燃料噴射装置で構成され、一次燃焼室58に燃料を霧状にして供給する。着火部72は、例えばグロープラグ等の着火装置で構成され、燃料の着火温度以上に加熱されて、着火部72の熱で気化した燃料と空気混合気を着火する。
The primary fuel supply unit 70 (fuel supply unit) is constituted by a fuel injection device such as an injector having a nozzle, for example, and supplies the fuel to the
燃料保持部72aは、着火部72近傍、例えば、着火部72の一端を覆う位置に配置され、例えば、金網、焼結金属、金属繊維、ガラス布、セラミック多孔体、セラミックファイバ、軽石等の多孔体で形成され、孔52aから空気混合気が導かれるとともに、一次燃料供給部70から供給された燃料が燃焼されるまで、当該燃料を一時的に保持する。ここで、燃料保持部72aは、多孔体として形成された触媒であってもよい。
The
邪魔板74は、例えば矩形の板材で構成され、一端が外壁50の閉塞面に固定され、他端側が孔52aに対向する位置に配される。邪魔板74は、孔52aを通って一次燃焼室58へ流入する空気混合気が、着火部72に直接衝突する流れを防ぐ。かかる構成により、着火部72付近の空気混合気の流速を抑制でき、着火性が向上する。
The
二次燃料供給部76は、一次燃料供給部70同様、例えばインジェクタ等の燃料噴射装置で構成され、二次燃焼室60内に燃料を霧状にして供給する。二次燃焼室60内では、一次燃焼室58で発生した種火を増幅するために、二次燃料供給部76によってさらに燃料が噴射され、排気ガスを巻き込みながら空気混合気の燃焼を促進する。
Similar to the primary
そして、昇温後の高温の空気混合気は、排気流路6に流出し、当該バーナ装置7に流入しなかった排気ガスと混ざり合うことで排気ガスの温度を高める。こうして、ディーゼル酸化触媒9を活性温度に昇温し、ディーゼルパティキュレートフィルタ10においてフィルタ再生処理を行うことが可能となる。
Then, the high-temperature air mixture after the temperature rises flows into the
しかし、本実施形態においては、バーナ装置7が排気流路6に対して垂直に立設しているので、昇温された気体は、排気流路6内の排気ガスの流れに対して、外側の一方向(図2においてはZ方向)から略垂直に流入することになる。したがって、排気流路6の流路断面において温度分布が偏り不均一になる。そこで、本実施形態では、以下の攪拌部8を設けている。
However, in the present embodiment, since the burner device 7 stands vertically with respect to the
(攪拌部8)
図4は、攪拌部8の構造を説明するための横断面図である。攪拌部8は、バーナ装置7の下流かつディーゼル酸化触媒9の上流に、排気流路6の一部として形成され、排気ガスの流れに沿って、排気流路6の流路断面積を拡大した後、その流路断面積を縮小する。換言すれば、攪拌部8における流路断面積は、その直前の排気流路6の流路断面積やその直後の排気流路6の流路断面積より大きい。ここでは、排気流路6として円筒管を想定しているので、攪拌部8の直径d1は、その直前の排気流路6の直径d2やその直後の排気流路6の直径d3より大きくなる。
(Stirring unit 8)
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the structure of the stirring
図4中矢印で示した、バーナ装置7を経由していない排気ガスと、バーナ装置7で昇温された気体との混合気(以下、単に排気混合気という。)は、攪拌部8の流路断面積が拡大する位置8aにおいて急激に減速するとともに、その流路方向が不均一となる。こうして、攪拌部8の内部8bにおいて、排気混合気が攪拌されて均一化する。また、排気混合気は、攪拌部8の流路断面積が縮小する位置8cにおいて急激に増速するとともに、その流路断面積が絞られ、排気混合気がさらに均一化される。
The mixed gas of the exhaust gas not passing through the burner device 7 and the gas heated by the burner device 7 (hereinafter simply referred to as the exhaust gas mixture) indicated by the arrow in FIG. At the
かかる攪拌部8は、スワラや邪魔板等と比較して圧損が小さく、構成も簡易であることから製造コストも抑制できる。したがって、圧損の小さい低コストの簡易な構成で、ミキシング効果を高め、容易に温度分布の均一化を図ることが可能となる。
Such a stirring
図5は、攪拌部の他の構造を説明するための横断面図である。ここでは、攪拌部18の側面18aを湾曲させて、図5に矢印で示すように、攪拌部18に流入する排気混合気の流入方向と、攪拌部18から流出する排気混合気の流出方向とを異ならせている(流入方向と流出方向とが直線上に位置しない、または、平行となっていない)。
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining another structure of the stirring unit. Here, the
ここでは、攪拌部18の流路断面積が拡大する位置18bで減速した排気混合気がさらに湾曲する側面18aに衝突、攪拌されて、温度分布の均一化が促進される。
Here, the exhaust gas mixture decelerated at the
図6は、攪拌部のさらに他の構造を説明するための横断面図である。ここでは、攪拌部28が、例えば、その全面が排気流路6の流路断面より面積の大きい直方体で形成され、任意の面から排気混合気を流入させ、その面と垂直の位置関係にある面から排気混合気を流出させる。
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining still another structure of the stirring unit. Here, for example, the agitating
したがって、図6に矢印で示すように、攪拌部28に流入する排気混合気の流入方向と、攪拌部28から流出する排気混合気の流出方向とが垂直の位置関係となり、攪拌部28の流路断面積が拡大する位置28aで減速した排気混合気がその対向面28bに衝突、攪拌されて、温度分布の均一化が促進される。
Therefore, as indicated by arrows in FIG. 6, the inflow direction of the exhaust gas mixture flowing into the stirring
以上説明したように、本実施形態の排気システムによれば、圧損が小さく、コストを抑制できる簡易な攪拌部8の構成で、ミキシング効果を高め、容易に温度分布の均一化を図ることが可能となる。
As described above, according to the exhaust system of the present embodiment, the mixing effect can be enhanced and the temperature distribution can be easily uniformed with the simple configuration of the stirring
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Is done.
例えば、上述した実施形態では、バーナ装置として、排気ガスの一部を空気とともに昇温し、バーナ装置に還元する構成を述べたが、排気流路6内において、排気ガスを直接燃焼する構成等、様々な昇温態様を採用することができる。
For example, in the above-described embodiment, the configuration in which a part of the exhaust gas is heated together with air and reduced to the burner device has been described as the burner device. However, the configuration in which the exhaust gas is directly combusted in the
本発明は、排気流路を流れる排気ガスに、バーナ装置で昇温された気体を混合し、酸化触媒の酸化を助勢する排気システムに利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in an exhaust system that mixes an exhaust gas flowing through an exhaust passage with a gas heated by a burner device and assists oxidation of an oxidation catalyst.
1 …ディーゼルエンジン(エンジン)
6 …排気流路
7 …バーナ装置
8、18、28 …攪拌部
9 …ディーゼル酸化触媒(酸化触媒)
10 …ディーゼルパティキュレートフィルタ(パティキュレートフィルタ)
20 …粒子状物質
1 ... Diesel engine (engine)
6 ... Exhaust flow path 7 ...
10 ... Diesel particulate filter (particulate filter)
20 ... Particulate matter
Claims (1)
前記パティキュレートフィルタの上流に設けられ、触媒を介した酸化反応によって前記排気ガスを昇温する酸化触媒と、
前記酸化触媒の上流に設けられ、前記排気ガスの一部を流入させ、該酸化触媒が酸化活性温度となるように、昇温した気体を該排気ガスに、該排気ガスの流れに対して垂直に導入するバーナ装置と、
前記バーナ装置の下流かつ前記酸化触媒の上流に設けられ、前記排気ガスの流れに沿って、流路断面積を拡大した後、該流路断面積を縮小する、直方体で形成された攪拌部と、
を備え、
前記直方体で形成された攪拌部における前記排気ガスを流入させる面と垂直の位置関係にある面から該排気ガスを流出させ、
前記攪拌部から流出する前記排気ガスの流出方向は、該攪拌部に流入する排気ガスの流入方向と垂直となることを特徴とする排気システム。 A particulate filter that collects particulate matter contained in the exhaust gas discharged from the engine;
An oxidation catalyst that is provided upstream of the particulate filter and raises the temperature of the exhaust gas by an oxidation reaction via the catalyst;
Provided upstream of the oxidation catalyst, a part of the exhaust gas is allowed to flow into the exhaust gas so that the oxidation catalyst has an oxidation activation temperature, and the exhaust gas is perpendicular to the flow of the exhaust gas. A burner device to be introduced into,
An agitator formed in a rectangular parallelepiped shape provided downstream of the burner device and upstream of the oxidation catalyst, the flow passage cross-sectional area being enlarged along the flow of the exhaust gas, and then the flow passage cross-sectional area being reduced; ,
With
Causing the exhaust gas to flow out from a surface perpendicular to the surface into which the exhaust gas flows in the stirring portion formed of the rectangular parallelepiped,
The exhaust system according to claim 1, wherein an outflow direction of the exhaust gas flowing out from the stirring unit is perpendicular to an inflow direction of the exhaust gas flowing into the stirring unit.
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